Nat.Commun: 通過單層氧化鉑納米片的拓撲還原合成鉑納米片用于電催化氧還原反應

一、【導讀】

? ?聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）由于具有能量轉換效率高、無污染、無噪聲、靈活性大等特點及其廣闊的應用前景,現已成為國際性研究熱點之一。然而,PEMFC的實際應用還存在許多問題,其中最重要問題是陰極氧還原反應 （ORR）的電極所采用的催化劑絕大多數為金屬鉑（Pt）。由于Pt的價格昂貴,資源有限以及回收困難等因素,故使PEMFC的成本居高不下。

? ?通過提高Pt基電催化劑的ORR性能來限制Pt的使用對于PEMFC的廣泛商業化至關重要。目前，研究發現3nm Pt納米顆粒（Pt NP）能達到ORR質量活性的最大值，但僅僅只有40%的Pt被充分利用。同時，Pt NP的電化學活性表面積(ECSA)和比活性之間存在著一種權衡關系，限制其進一步的發展。如何實現最大化Pt原子利用率以及打破納米顆粒的這種權衡關系是解決Pt基電催化劑活性和穩定性的關鍵之一。

? ?二維(2D)納米片因其大的表面積而引起科研工作者們的關注。原則上，具有單原子層或雙原子層的金屬納米片可以實現100%的原子利用率。已經有研究表明金屬納米片比當量的納米顆粒具有更高的電催化活性和穩定性。因此，2D Pt納米片有望成為燃料電池電催化劑的潛在候選者之一。

二、【成果掠影】

? ?近日，日本信州大學Wataru Sugimoto教授等人成功通過從層狀鉑酸鉀上剝離出0.9 nm厚度的氧化Pt納米片（PtO_x?NSs），再利用拓撲定向還原技術合成出 0.5 nm厚度的雙原子層Pt納米片（2 AL-Pt NSs）。2 AL-Pt NSs的質量活性和循環耐久性優于商業化的3nm Pt NPs。相關的研究成果以“Platinum nanosheets synthesized via topotactic reduction of single-layer platinum oxide nanosheets for electrocatalysis”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

1、通過PtO_x納米片使用拓撲定向還原技術成功合成出雙原子層Pt納米片（2 AL-Pt NSs），實現100% 的Pt 原子利用率。

2、2 AL-Pt NSs克服納米顆粒催化劑的ECSA 與耐久性和ORR比活性之間的權衡關系（即粒徑效應）。

四、【數據概覽】

圖1 ?Pt納米片 (NS) 的效率和厚度。(a)?Pt NS 的橫截面圖和計算厚度。(b) 雙層、(c) 三層和 (d) 四層 Pt NS 的示意圖。?2023 The Author(s)

圖2 ?雙層Pt NS的合成方法。(a)?通過K₂CO₃和PtO₂混合物的固相反應合成層狀K_yPtO_x。 (b)通過酸處理，進行離子交換反應獲得H_yPtO_x。(c) PtO_x NS是通過層狀H_yPtO_x剝離獲得的。(d) PtO_x NS經拓撲定向還原合成Pt NS。?2023 The Author(s)

圖3 PtO_x?NS的表征。(a) PtO₂?NS膠體薄膜的x射線衍射(XRD)圖。(b)和(c) PtO_x NS的TEM 圖像和相應的區域的電子衍射圖。(d) 在Si襯底上的單層PtO_x NS薄膜的面內XRD譜圖。?2023 The Author(s)

圖4 Pt NS的厚度和電子態。(a) PtO_x?-NS/Si和(b) Pt-NS/Si 薄膜的典型原子力顯微鏡圖像和相應的剖面高度。(c)?Pt black, 3?nm- sized Pt NPs, and Pt NSs的Pt 4f XPS 圖譜。?2023 The Author(s)

圖5 Pt NSs 的電化學性能。(a) 碳負載的Pt NSs的典型TEM圖像(EC-300J)。(b) 以50 mV s^?1的掃描速率，在脫-充氣的0.1 M HClO₄ (25°C)下收集Pt NSs的循環伏安圖。(c) 新鮮樣品在0.9 V vs.可逆氫電極(RHE)下氧還原反應(ORR)的質量和比活性。(d) 電化學活性表面積(ECSA)作為電位循環的函數（負載循環加速耐久性測試; 0.6-1.0 V vs. RHE在60°C）。(e) Pt NSs和3?nm-sized Pt NPs的電催化性能比較。?2023 The Author(s)

圖6 Pt NSs 的電化學性能。(a) Pt NSs在不同電位（0.4、0.7、0.8、0.9、1.0 和 1.1 V）下的 X 射線吸收近邊結構光譜。(b) 不同電位下 Pt NS 的k²加權擴展 X射線吸收精細結構數據的傅立葉變換。(c)白線 (WL) 強度與 Pt NP 和 Pt NS 的Pt表面積的比值作為電極電位的函數。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

綜上所述，作者提出并成功通過拓撲定向還原技術合成出原子級層厚度的Pt NSs，Pt NSs不僅增強了ORR的活性和耐久性，同時也打破了目前納米顆粒中的權衡關系。這項研究不僅為電化學能量轉換（燃料電池和可充電金屬空氣電池等）和存儲中的應用以及目前使用Pt NPs的許多其他應用開辟了新的領域和機會，同時也揭示了設計遠優于納米顆粒的先進能源電催化劑的新策略。

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原文詳情： https://doi.org/10.1038/s41467-022-35616-4

本文由K . L撰稿。